افزایش کارایی الکتروشیمیایی الکترود ابرخازن با استفاده از نانو کامپوزیت‌های چهارچوب‌ آلی- فلزی نیکل/گرافن

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

دوره 16، شماره 3 - شماره پیاپی 62، آبان 1401، صفحه 55-70   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

مرضیه آزادفلاح¹؛ آرمان صدقی^{* 2}؛ علی مهدیخانی³؛ هادی حسینی⁴

¹دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین المللی امام خمینی، قزوین

²دانشگاه بین المللی قزویندانشیار،گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین المللی امام خمینی، قزوین.

³مربی، گروه پژوهشی مواد غیر فلزی پژوهشگاه نیرو، تهران

⁴استادیار، گروه شیمی، دانشگاه ایلام، ایلام.

چکیده

چهارچوب‌های آلی-فلزی به دلیل سطح ویژه بالا و مناسب بودن اندازه تخلخل به‌عنوان مواد الکترودی در ابر خازن‌ها مورد استفاده قرار گرفتند. بااین‌حال استفاده از چهارچوب‌های آلی-فلزی به‌عنوان مواد الکترودی به‌تنهایی در ابرخازن‌ها، هدایت الکتریکی ضعیف، پایداری ناکافی و خواص مکانیکی نامرغوب را در پی داشته و منجر به کاهش کارایی شدند. در مقاله حاضر برای بهبود هدایت الکتریکی و استفاده از سطح ویژه چهارچوب‌های آلی-فلزی، ترکیب گرافن با چهارچوب‌های آلی-فلزی نیکل به روش سنتز هیدروترمال تهیه شد و برای جلوگیری از آگلومراسیون، گرافن (مقدار 0، 5/2، 5 و 10 درصد) در حین سنتز افزوده شد. جهت بررسی ساختاری نانوکامپوزیت‌های حاصل، از آنالیزهای پراش اشعه ایکس (XRD)، طیف‌سنجی فوریه مادون‌قرمز (FTIR)، آنالیز تعیین سطح ویژه (BET)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) استفاده شد. برای بررسی رفتار ابرخازنی، آزمون‌های الکتروشیمیایی ولتامتری چرخه‌ای و امپدانس الکتروشیمیایی و شارژ-دشارژ انجام شد. الکترود ساخته‌شده از چهارچوب آلی-فلزی بر پایه نیکل در الکترولیت KOH M6، به ترتیب دارای ظرفیت ویژه F/g 660 بود، درحالی‌که کامپوزیت آن‌ با گرافن دارای ظرفیت F/g 1017 بود. در نتیجه، بهره‌مندی از خواص هم‌افزایی کامپوزیت و افزایش هدایت الکتریکی چهارچوب‌های آلی-فلزی با گرافن، منجر به در دسترس‌پذیری بیشتر تخلخل‌ها و افزایش ظرفیت کل ذخیره بار شد.

کلیدواژه‌ها

ابرخازن نانوکامپوزیت گرافن چهارچوب‌های آلی؛ فلزی

مراجع

[1] M. Gong, Y. Li, H. Zhang, B. Zhang, W. Zhou, J. Feng, H. Wang, Y. Liang, Z. Fan & J. D. H. Liu, "Environmental Science Ultrafast high-capacity NiZn battery with NiAlCo- layered double hydroxide", Energy Environ Sci, vol. 7, pp. 2025-2032, 2014.

 

[2] A. G. Pandolfo & A. F. Hollenkamp, "Carbon properties and their role in supercapacitors", J Power Sources, vol. 157, pp. 11-27, 2016.

[3] A. D. Kumarappa, "Advanced electrode materials for electrochemical supercapacitors", McMaster University, 2012.

 

[4] ح. دانشمند، م. ذاکری، ع. محمدبیگی و ع. نظری، "تأثیر گرافن بر خواص مکانیکی نانوکامپوزیت مس/گرافن"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، شماره 141، صفحه 8-9، 1394.

 

[5] K. R. Prasad, K. Koga & N Miura, "Electrochemical deposition of nanostructured indium oxide: high-performance electrode material for redox supercapacitors", Chem Mater, vol. 16, pp. 1845-1847, 2004.

 

[6] A. Laforgue, P. Simon, C. Sarrazin & J. F. Fauvarque, "Polythiophene-based supercapacitors", J Power Sources, vol. 80, pp. 14-148, 1999.

 

[7] A. Clemente, S. Panero, E. Spila & B. Scrosati, "Solid-state, polymer-based, redox capacitors", Solid State Ionics, vol. 85, pp. 273-277, 1996.

 

[8] M. Azadfalah, A. Sedghi & H. Hosseini, "Synthesis of Nano-Flower Metal – Organic Framework / Graphene Composites As a High-Performance", Electrode Material for Supercapacitors, vol. 48, pp. 2011-2, 2019.

 

[9] T. Wei, M. Zhang, P. Wu, Y. J. Tang, S. L. Li, F. C. Shen & et al. "POM-based metal-organic framework/reduced graphene oxide nanocomposites with hybrid behavior of battery-supercapacitor for superior lithium storage," Nano Energy, vol. 34, pp. 205-214, 2017.

 

[10] Y. Zhao, Z. Song, X. Li, Q. Sun, N. Cheng, S. Lawes & et al. "Metal organic frameworks for energy storage and conversion", Energy Storage Mater, vol. 2, pp. 35-62, 2016.

 

[11] W. Xia, C. Qu, Z. Liang, B. Zhao, S. Dai, B. Qiu & et al. "High-Performance Energy Storage and Conversion Materials Derived from a Single Metal-Organic Framework/Graphene Aerogel Composite", Nano Lett, vol. 17, pp. 2788-2795, 2017.

 

[12] H. Pang, X. Li, Q. Zhao, H. Xue, W. Y. Lai, Z. Hu & et al. "One-pot synthesis of heterogeneous Co3O4-nanocube/Co(OH)2-nanosheet hybrids for high-performance flexible asymmetric all-solid-state supercapacitors", Nano Energy, vol. 35, pp. 138-145, 2017.

 

[13] P. Wen, P. Gong, J. Sun, J. Wang & S. Yang, "Design and synthesis of Ni-MOF/CNT composites and rGO/carbon nitride composites for an asymmetric supercapacitor with high energy and power density", J Mater Chem, A. 3, pp. 13874-83, 2015. https://doi.org/10.1039/c5ta02461g.

 

[14] Y. Jiao, J. Pei, C. Yan, D. Chen, Y. Hu & G. Chen, "Layered nickel metal–organic framework for high performance alkaline battery-supercapacitor hybrid devices", J Mater Chem, A. 4, PP. 13344-51, 2016.

 

[15] L. Wan, E. Shamsaei, C. D. Easton, D. Yu, Y. Liang, X. Chen & et al. "ZIF-8 derived nitrogen-doped porous carbon/carbon nanotube composite for high-performance supercapacitor", Carbon N Y, vol. 121, pp. 330-336, 2017.

 

[16] X. Cao, C. Tan, M. Sindoro & H. Zhang, "Hybrid micro-/nano-structures derived from metal–organic frameworks: preparation and applications in energy storage and conversion", Chem Soc Rev, vol. 46, pp. 2660-77, 2017.

 

[17] L. Wang, Y. Han, X. Feng, J. Zhou, P. Qi & B. Wang, "Metal–organic frameworks for energy storage: Batteries and supercapacitors", Coord Chem Rev, vol. 307, 361-81, 2016.

[18] M. Azadfalah, A. Sedghi, H. Hosseini & H. Kashani, "Cobalt based Metal Organic Framework/Graphene nanocomposite as high performance battery-type electrode materials for asymmetric Supercapacitors", J Energy Storage, vol. 33, pp. 101925, 2021.

 

[19] R. Díaz, M. G. Orcajo, J. A. Botas, G. Calleja & J. Palma, "Co8-MOF-5 as electrode for supercapacitors", Mater Lett, vol. 68, pp. 126-128, 2012.

 

[20] D. Y. Lee, D. V. Shinde, E. K. Kim, W. Lee, I. W. Oh, N. K. Shrestha & et al. "Supercapacitive property of metal-organic-frameworks with different pore dimensions and morphology", Microporous Mesoporous Mater, vol. 171, pp. 53-57, 2013.

 

[21] Q. Li, H. Guo, R. Xue, M. Wang, M. Xu, W. Yang & et al. "Self-assembled Mo doped Ni-MOF nanosheets based electrode material for high performance battery-supercapacitor hybrid device", Int J Hydrogen Energy, vol. 45, pp. 20820-31, 2020.

 

[22] K. M. Choi, H. M. Jeong, J. H. Park, Y. B. Zhang, J. K. Kang & O. M. Yaghi, "Supercapacitors of nanocrystalline metal–organic frameworks" ACS Nano, vol. 8, pp. 7451-7, 2014.

 

[23] P. Wen, P. Gong, J. Sun, J. Wang & S. Yang, "Design and synthesis of Ni-MOF/CNT composites and rGO/carbon nitride composites for an asymmetric supercapacitor with high energy and power density", J Mater Chem, A. 3, pp. 13874-83, 2015.

 

[24] T. An, Y. Wang, J. Tang, Y. Wang, L. Zhang & G. Zheng. "Journal of Colloid and Interface Science A flexible ligand-based wavy layered metal – organic framework for lithium-ion storage", J Colloid Interface Sci, vol. 445, pp. 320-325, 2015.

 

[25] Q. Chen, S. Lei, P. Deng, X. Ou, L. Chen, W. Wang & et al. "Direct growth of nickel terephthalate on Ni foam with large mass-loading for high-performance supercapacitors" J Mater Chem, A. 5, pp. 19323–32, 2017.

 

[26] M. Y. Ghotbi, B. Feli, M. Azadfalah & M. Javaheri, "Ultra high performance N-doped carbon catalysts for the ORR derived from the reaction between organic-nitrate anions inside a layered nanoreactor", RSC Adv, vol. 5, pp. 92577-84, 2015.

 

[27] J. Yang, C. Zheng, P. Xiong, Y. Li & M. Wei, "Zn-doped Ni-MOF material with a high supercapacitive performance" J Mater Chem, A. 2, pp. 19005-10, 2014.

 

[28] J. Kim, S. Park, S. Chung & S. Kim, "Preparation and Capacitance of Ni Metal Organic Framework / Reduced Graphene Oxide Composites for Supercapacitors as Nanoarchitectonics" J Nanosci Nanotechnol, vol. 20, pp.2750-4, 2020.

 

[29] J. Yang, .C. Zheng, P. Xiong, Y. Li & M. Wei, "Zn-doped Ni-MOF material with a high supercapacitive performance", J Mater Chem, A. 2, pp. 19005-10, 2014.

 

[30] L. Liu, Y. Yan, Z. Cai, S. Lin & X. Hu. "Growth‐Oriented Fe‐Based MOFs Synergized with Graphene Aerogels for High‐Performance Supercapacitors", Adv Mater Interfaces, vol. 5, pp. 1701548, 2018.

 

[31] G. Majano & J. Pérez-Ramírez, "Scalable room-temperature conversion of copper(II) hydroxide into HKUST-1 (Cu3(btc)2)", Adv Mater, vol. 25, pp. 1052-7, 2013.

 

[32] S. K. Callear, A. J. Ramirez-cuesta, W. I. F. David, F. Millange & R. I. Walton, "High-resolution inelastic neutron scattering and neutron powder diffraction study of the adsorption of dihydrogen by the Cu (II) metal – organic framework material HKUST-1", Chem Phys, vol. 427, pp. 9-17. 2013.

 

[33] ه. حصاری، "سنتز تعدادی از شبکه‌های نانو ساختار فلزی – آلی نیکل و کبالت و بررسی خاصیت ابرخازنی آن‌ها"، پایان‌نامه دکتری دانشگاه تربیت مدرس، 1397.

 

[34] Y. Zhou, Z. Mao, W. Wang, Z. Yang & X. Liu, "In-situ fabrication of graphene oxide hybrid Ni-based metal–organic framework (Ni–MOFs@ GO) with ultrahigh capacitance as electrochemical pseudocapacitor materials", ACS Appl Mater Interfaces, vol. 8, pp. 28904-16, 2016.

 

[35] M. S. Rahmanifar, H. Hesari, A. Noori, M. Y. Masoomi, A. Morsali & M. F. Mousavi, "A dual Ni/Co-MOF-reduced graphene oxide nanocomposite as a high performance supercapacitor electrode material", Electrochim Acta, vol. 275, pp. 76-86, 2018.

 

[36] H. Nourmohammadi Miankushki, A. Sedghi & B. Saeid, "Comparison of copper compounds on copper foil as current collector for fabrication of graphene/polypyrrole electrode", J Energy Storage, vol. 19, pp. 201-12, 2018.

 

[37] H. B. Zhao, Z. B. Fu, H. B. Chen, M. L. Zhong & C. Y. Wang, "Excellent electromagnetic absorption capability of Ni/carbon based conductive and magnetic foams synthesized via a green one pot route", ACS Appl Mater Interfaces, vol. 8, pp. 1468-77, 2016.

 

[38] Y. Liu, Y. Wang, Y. Chen, C. Wang & L. Guo, "NiCo-MOF nanosheets wrapping polypyrrole nanotubes for high-performance supercapacitors", Appl Surf Sci, vol. 507, pp. 145089, 2020.

 

[39] M. Mirzaee & C. Dehghanian, "Synthesis of Nickel-Nickel oxide foam by electrochemical method and its application in supercapacitor", J Adv Process Mater Eng, vol. 13, pp. 17-25, 2019.